Toute première détection d’hélium dans l’atmosphère d’une exoplanète

Une équipe internationale d’astronomes a réalisé la toute première détection d’hélium dans l’atmosphère d’un monde extrasolaire. La nouvelle technique utilisée pour faire cette découverte pourrait ouvrir la voie aux scientifiques qui espèrent révéler les atmosphères d’exoplanètes lointaines de la taille de la Terre.

La planète au cœur de la nouvelle recherche est située à environ 200 années-lumière de la Terre, dans la constellation de la Vierge. Alors que WASP-107b est à peu près comparable en taille à Jupiter, elle ne représente que 12 % de la masse de la géante gazeuse.

Image d’entête et vidéo ci-dessous : représentation artistique de l’exoplanète WASP-107b,une géante gazeuse en orbite autour d’une étoile très active de la séquence principale. Elle se trouve à environ 200 années-lumière de la Terre. (ESA/ Hubble/ NASA/ M. Kornmesser)

WASP-107b possède également l’une des atmosphères les plus froides jamais découvertes enveloppant une lointaine exoplanète, bien que, pour mettre les choses dans le contexte, il fait encore 500 °C plus chaud que l’enveloppe protectrice de gaz enveloppant notre planète.

C’est dans l’enveloppe gazeuse de cette exoplanète que les astronomes ont fait la première découverte d’hélium existant dans l’atmosphère d’un monde situé à l’extérieur de notre système solaire.

L’hélium, pour le contexte, c’est plutôt bien. En plus de remplir les ballons, il se trouve que c’est le deuxième élément le plus abondant dans l’univers connu. Dans notre système solaire, l’élément est créé en grandes quantités à la suite du processus de fusion nucléaire qui se produit au cœur du Soleil, et il est présent en grande quantité dans les planètes qui peuplent notre voisinage cosmique.

Les astronomes ont depuis longtemps prédit que les atmosphères de mondes lointains comme celles du WASP-107b accueilleraient également d’importantes quantités d’hélium, mais l’élément n’avait pas été détecté dans les enveloppes gazeuses entourant ces mondes jusqu’à présent.

L’équipe à l’origine de cette découverte a utilisé les capacités d’observation du vénérable télescope spatial Hubble pour sonder WASP-107b, mesurant le spectre de lumière qui avait traversé la partie supérieure de l’atmosphère de l’exoplanète.

Les chercheurs ont utilisé une nouvelle technique pour analyser les données, qui a mesuré les propriétés infrarouges de la lumière atmosphérique pour détecter l’hélium qui existait à l’état excité. La méthode mise au point par les chercheurs ne repose pas sur la collecte de données sur la lumière ultraviolette, la technique habituelle pour sonder l’atmosphère des exoplanètes.

Cette animation montre comment la lumière stellaire traversant l’atmosphère d’une exoplanète interagit avec ses atomes. Alors que chaque élément bloque une longueur d’onde de lumière spécifique, il laisse un motif distinctif dans le spectre de l’étoile.

Une analyse des données de Hubble a révélé un fort signal de l’hélium, ce qui a amené les astronomes à conclure que le WASP-107b était entouré d’un nuage atmosphérique ténu qui s’étend sur des dizaines de milliers de kilomètres dans l’espace.

L’équipe estime que leur technique basée sur l’infrarouge pourrait être utilisée pour détecter des atmosphères riches en hydrogène qui existent autour de petites exoplanètes de la taille de la Terre.

La vidéo ci-dessous montre comment les astronomes peuvent déterminer la composition de l’atmosphère d’exoplanètes à la lumière de son étoile, si la planète est en transit, passant devant son étoile et en face de nous). Chaque élément chimique de l’atmosphère de l’exoplanète bloque la lumière de l’étoile à des longueurs d’onde spécifiques, créant des raies d’absorption dans le spectre de l’étoile. De cette façon, les astronomes peuvent identifier la présence d’atomes et de molécules spécifiques, comme l’oxygène et l’eau, sur l’exoplanète.

Selon Jessica Spake, de l’université d’Exeter (Royaume-Uni) :

Nous espérons utiliser cette technique avec le prochain télescope spatial James Webb (JWST) pour savoir, par exemple, quels types de planètes ont de grandes enveloppes d’hydrogène et d’hélium, et combien de temps elles peuvent s’accrocher à leur atmosphère. En mesurant la lumière infrarouge, nous pouvons voir plus loin dans l’espace que si nous utilisions la lumière ultraviolette.

Le lancement du JWST a été (une nouvelle fois) retardé et ne devrait pas avoir lieu avant mai 2020. Quand le JWST sera enfin opérationnel, il offrira de nombreux avantages par rapport aux télescopes orbitaux existants, notamment avec une résolution spectrale plus élevée, une plus grande sensibilité et des temps d’observation plus longs.

Les capacités des télescopes de la prochaine génération, comme le JWST, et les satellites qui traquent les exoplanètes, comme le Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) lancé récemment, annoncent le début d’une nouvelle ère passionnante pour la découverte et la caractérisation des mondes extrasolaire.

L’étude publiée aujourd’hui dans Nature : Helium in the eroding atmosphere of an exoplanet et présentée sur le site de l’université d’Exeter : Helium detected in Exoplanet atmosphere for the first time et sur le site du Hubble Space Telescope de l’ESA : Hubble detects helium in the atmosphere of an exoplanet for the first time.